ES2265586T3 - Inyector para hornos de fundicion de metal. - Google Patents

Abstract

Inyector-quemador, que comprende un cuerpo cilíndrico (3), que define un primer eje longitudinal (6), en el que el cuerpo cilíndrico comprende un primer conducto central (8), dispuesto a lo largo de dicho primer eje (6), al menos, un segundo conducto de forma anular (10), dispuesto alrededor de dicho primer conducto central (8), un tercer conducto de forma anular (9), dispuesto alrededor de dicho segundo conducto de forma anular (8), una cabeza (2), fijada a un extremo de dicho cuerpo y dotada con, al menos, un primer agujero central (7), coaxial con el primer eje longitudinal (6), y que conecta dicho primer conducto central (8) con el exterior del cuerpo cilíndrico (3), la cabeza (2), que está dotada de segundos y terceros agujeros pasantes (5), que conectan, respectivamente, dichos segundos y terceros conductos de forma anular (9, 10, 11) con el exterior del inyector-quemador, los segundos agujeros pasantes (5), que definen segundos ejes respectivos, en el que cada segundo eje respectivoforma un primer ángulo con un plano, que pasa a través del primer eje (6) y de un punto de intersección de dicho segundo eje respectivo con una superficie externa de la cabeza (2), y en el que cada segundo eje respectivo define una proyección sobre dicho plano, que forma un segundo ángulo con dicho primer eje (6), caracterizado porque los segundos y terceros agujeros pasantes están divididos en varios grupos, los grupos están separados, recíprocamente, por sectores circulares de la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en el que los sectores circulares tienen sus vértices sobre el primer eje (6) y sus ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos agujeros pasantes adyacentes.

Description

Inyector para hornos de fundición de metal.

Campo técnico

La siguiente invención se refiere a un inyector de oxígeno multipropósito, con quemador incorporado (de aquí en adelante denominado inyector-quemador), para su uso en la metalurgia, ya sea para el calentamiento y el procesado metalúrgico de metales, o como ayuda a otros equipos de calentamiento y procesado metalúrgico, usados en la fundición. El inyector-quemador puede utilizarse, adicionalmente, aunque no de manera exclusiva, en hornos de arco eléctrico (o EAF).

El dispositivo puede montarse en la pared, de manera fija, sobre el nivel del baño de metal líquido. En ciertas aplicaciones, puede desplazarse, igualmente, hacia el interior del horno, con el fin de reducir la distancia al baño.

Se divulga, asimismo, un método para el uso de este dispositivo en procesos de fundición en hornos de arco eléctrico.

Antecedentes de la técnica

Se conocen muchos sistemas para la inyección de oxígeno desde las paredes de un horno. Algunos de tales sistemas utilizan una llama adicional para regular el calentamiento inicial y el fundido de la carga de metal, que se activa, generalmente, mediante el uso de gas natural como combustible, y oxígeno como agente auxiliar de la combustión.

La desventaja de los modelos actualmente disponibles es que los dispositivos descritos no permiten variar la forma de la llama a voluntad, en las diversas fases del procedimiento de fundición.

Al inicio del proceso de fundición, se necesita, principalmente, una llama difusa y ancha, con el fin de distribuir uniformemente una energía química grande a través de la carga sólida. Posteriormente, se requiere un modo concentrado de llama, adaptado para transferir calor a la carga sólida residual, por debajo del nivel de instalación del inyector.

No se conoce, en el estado de la técnica, ningún dispositivo de inyección que se adapte a regular la forma de la llama entre estas dos tipologías opuestas. En particular, los hornos de arco eléctrico, de aquí en adelante denominados EAF, en los cuales se utilizan inyectores del estado de la técnica, adolecen de una mala distribución del calor. El tipo de quemadores (y de inyectores en modo quemador), usados típicamente en los hornos EAF, producen una llama concentrada, que genera una mezcla ineficaz y oxida la carga en las fases iniciales del proceso de fundición.

Cuando se utilizan en modo quemador, los inyectores conocidos presentan fracciones grandes de oxígeno libre en la llama, una característica que, combinada con el efecto térmico fuertemente localizado de la llama sobre la carga, les convierten en dispositivos apropiados para el corte de la carga metálica por lanza de oxígeno, pero no para su calentamiento uniforme. La oxidación de la carga, en las fases iniciales del proceso de fundición, causa pérdidas graves en el balance energético global, así como una caída en el rendimiento metálico final. Otras desventajas de este tipo de dispositivos están causadas por la concentración de la llama producida. El volumen de la carga metálica calentada permanece limitado, mientras que la perforación de la carga sobre el área del arco eléctrico es un fenómeno observado frecuentemente, que perturba el arco eléctrico y provoca la ascensión de los gases quemados a lo largo del electrodo, sin pasar a través de la carga, con lo que el calor no se transfiere a ésta de manera eficiente. Además, el anillo de la carga metálica, situado en la base de la columna presente en el horno, se precalienta de manera discontinua, por lo que el horno tiene que contener un mayor número de inyectores.

Adicionalmente a estas limitaciones en modo quemador, los inyectores, actualmente disponibles no son eficientes en la inyección supersónica de oxígeno, de carbón y de cal.

La instalación de tales inyectores en las paredes de los hornos EAF requiere que los chorros producidos por el inyector sean coherentes, por lo menos en lo que respecta a la distancia entre el inyector y el baño líquido. Esta característica no es satisfecha por los dispositivos del estado de la técnica, cuando la distancia de instalación al baño es superior a 750 milímetros. Por consiguiente, la inyección de oxígeno, carbón y cal en el baño líquido y en la escoria es ineficaz, con el alargamiento consecuente de los tiempos de refinación y la sobrecarga térmica del volumen interno del horno y del sistema de humos, causada por los reactivos dispersados sobre el baño.

No se conoce ningún inyector, en el estado de la técnica, que se adapte a inyectar un combustible, tal como metano, en la escoria y/o en el baño fundido, con el fin de obtener una reacción de carburación del baño y, simultáneamente, generar calor y reducir los óxidos en la escoria.

El documento de patente GB-A-2064094 divulga una quemador, que tiene agujeros, a través de los cuales el combustible fluido puede descargarse dentro de una camisa, divergente hacia fuera, y pasajes adicionales, que rodean el primer pasaje, a través del cual un fluido atomizado se puede descargar en el combustible, según abandona la cabeza del quemador. El documento norteamericano US6289677 divulga un inyector de combustible para un motor de turbina de gas, con una boquilla que incluye una disposición anular de pasajes de aire, espaciados radialmente desde un pasaje central del inyector de combustible. Los ejes de los pasajes se disponen para permitir la mezcla de aire y combustible. Se incluye una segunda disposición anular de pasajes de aire, para producir una llama de forma circular.

La forma de la llama, producida por tales quemadores del estado de la técnica, es circular, y no es adecuada para incidir en una superficie desde arriba, ya que parte de la energía se disipa por encima de la superficie. Además, no puede expulsar el gas a velocidad supersónica.

Resumen de la invención

Se ha desarrollado un inyector quemador novedoso, en particular para su uso en el campo de la metalurgia, de manera más precisa, para hornos de fundición, tales como hornos de arco eléctrico. El objetivo primario de la presente invención es solucionar las desventajas del estado de la técnica anteriormente mencionadas, con la creación de un inyector-quemador multipropósito, capaz de satisfacer los requerimientos de cada fase del proceso, y de mejorar el balance energético, la productividad y la eficiencia del horno en el cual se utiliza.

El inyector-quemador, según la invención, comprende un cuerpo cilíndrico, que define un primer eje longitudinal, el cuerpo cilíndrico comprende un primer conducto central, dispuesto a lo largo de dicho eje, por lo menos un segundo conducto, de forma anular, dispuesto alrededor de dicho conducto central, un tercer conducto, de forma anular, dispuesto alrededor de dicho segundo conducto, una cabeza, fijada a un extremo de dicho cuerpo, y dotada con, al menos, un primer agujero pasante, coaxial con el primer eje longitudinal, y que conecta dicho primer conducto central con el exterior del inyector-quemador, la cabeza está provista con segundos y terceros agujeros pasantes, que conectan, respectivamente, dichos segundos y terceros conductos de forma anular con el exterior del inyector-quemador, cada segundos agujeros pasantes definen los segundos ejes respectivos, cada segundo eje respectivo forma un primer ángulo con un plano, que pasa a través del primer eje y del punto de intersección del eje respectivo con la superficie externa de la cabeza y, además, cada segundo eje respectivo define una proyección sobre dicho plano, que forma un segundo ángulo con dicho primer eje, en donde los segundos y terceros agujeros se dividen en varios grupos, que se separan, recíprocamente, mediante sectores circulares de la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en donde los sectores circulares tienen su vértice en el primer eje, y sus ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos agujeros adyacentes.

El primer agujero es coaxial con el cuerpo cilíndrico. Un tercer conducto de forma anular se dispone alrededor de dicho segundo conducto, y la cabeza está dotada de terceros agujeros, que conectan dicho tercer conducto con el exterior. Cada uno de dichos terceros agujeros tiene su propio eje, que forma un primer ángulo con un plano, que pasa a través de dicho primer eje y del punto de la intersección del eje del agujero con la superficie externa de la cabeza (prevista como la continuación de dicha superficie, sin considerar la presencia del primer agujero), y que tiene una proyección en dicho plano que forma un segundo ángulo con dicho primer eje del cuerpo cilíndrico.

Dichos primeros ángulos y segundos ángulos de los segundos y terceros agujeros pueden estar comprendidos, ventajosamente, en un intervalo de 5 a 60º, los primeros y segundos ángulos de los segundos agujeros pueden ser, asimismo, diferentes a aquellos de los terceros agujeros. Esto último es preferible, con tal de que los ejes de los segundos y terceros agujeros, en parejas, crucen uno sobre otro en el exterior del quemador. Para algunas realizaciones particulares, como aquellas para llamas planas o en abanico, los segundos ángulos pueden, asimismo, valer cero para algunos agujeros. Al estar adaptados los agujeros para emitir chorros de gases suministrados a los conductos del inyector-quemador, este dispositivo permite una buena mezcla de los gases que se originan en los segundos y terceros agujeros, que se deben disponer, preferiblemente, en coronas circulares concéntricas con el primer eje del cuerpo cilíndrico. Se dividen en más grupos, espaciados por sectores circulares de la cabeza sin agujeros. Dichos sectores se definen entre los dos lados de un ángulo, que tiene su cúspide en el centro de la cabeza (la intersección entre el eje del cuerpo cilíndrico y la superficie externa de la cabeza), que es mayor que el ángulo con su vértice en el centro de la cabeza, y que tiene por lados las líneas rectas que pasan a través de dicho centro, y de los centros de los dos segundos o terceros agujeros adyacentes, si están presentes. Dos o más de tales grupos pueden estar presentes.

Ventajosamente, la orientación de los ejes de los segundos y terceros agujeros del quemador, con respecto al eje del quemador en sí mismo, se elige con el fin de generar llamas, y envolventes de las llamas, divergentes, de diversas formas. La forma se puede elegir con vistas a una distribución óptima del calor en la capa de escoria, durante la totalidad de la etapa de fundido de la escoria.

Una forma de la llama, particularmente ventajosa, es aquella con una envolvente de llama plana y ancha. Esta solución ofrece una utilización óptima del calor generado, ya que la cavidad producida por la llama del quemador persiste durante la mayor parte de la fase de fundido de la escoria, antes de que se produzca una abertura en la parte situada justo por encima de la llama. Evitar tal abertura sobre la llama es una ventaja importante, ya que a través de esta abertura fluye parte del calor, directamente a la atmósfera superior del horno, sin intercambio térmico con la escoria.

Tal forma de llama es producto de una selección apropiada de los ángulos de la inclinación de los ejes de cada agujero, o grupo de agujeros, practicados en la cabeza del quemador. En este caso, dos primeros grupos de agujeros, situados en la cabeza simétricamente y opuestos entre sí, con respecto al eje principal, tienen ejes del agujero sesgados, de tal manera que los primeros ángulos tienen valores comprendidos entre 5º y 60º, y los segundos ángulos tienen un valor substancialmente igual a 0º, es decir, los ejes del agujero son coplanarios con el eje de la cabeza, e intersecan, substancialmente, al eje del quemador. Adicionalmente, dos segundos grupos de agujeros tienen ejes respectivos, sesgados de tal manera que los primeros y segundos ángulos tienen valores diferentes de 0º y, por tanto, no son coplanarios con el eje del quemador. Las dos llamas simétricas, expulsadas por el segundo grupo de agujeros, interaccionan entre sí y con las llamas expulsadas por los primeros grupos de agujeros, y producen, conjuntamente, una envolvente de la llama que corresponde a una llama única, ancha y, aproximadamente, plana.

El primer conducto, o el primer agujero correspondiente, puede tener una parte, en forma de boquilla convergente o convergente-divergente, para regular la expansión del gas que fluye por el conducto, desde la presión de suministro a la presión de la salida. Dentro del primer conducto, puede estar presente otro cuarto conducto, preferiblemente coaxial con él, para suministrar los componentes sólidos o líquidos, preferiblemente dispersados en un gas, por ejemplo, los polvos requeridos para el proceso, que son transportados por un gas, tal como aire u oxígeno.

La invención se refiere, asimismo, a un método para introducir el gas en un horno de fundición de metal, en particular, para hornos de arco eléctrico, incluyendo la introducción de gases a un inyector-quemador, según lo descrito anteriormente.

La invención se refiere, asimismo, a un método para calentar y/o tratar el material metálico en un horno de fundición, en particular, en hornos de arco eléctrico, que comprende el suministro de un gas que contiene oxígeno, al primer conducto de un inyector-quemador, según lo descrito anteriormente, de un gas que contiene un combustible, por ejemplo, metano o gas natural, al segundo conducto, y de un gas que contiene oxígeno, al tercer conducto, si existe.

La invención se refiere, asimismo, a un método adicional de procesar el metal en un horno de fundición, mediante la inyección de un combustible como, por ejemplo, metano, en el baño de fundido, igualmente, a través del primer conducto del inyector-quemador.

Gracias a las características referentes a la conformación de los agujeros en la cabeza, el inyector-quemador puede producir una llama de forma variable, según los requisitos de las diversas fases del proceso de fundición, cuando se utiliza en modo quemador.

También es capaz de funcionar en modo de inyección de oxígeno (incluso en régimen supersónico) y, en diversas formas de producción, puede realizar, asimismo, la inyección de material sólido, pulverizado o granular, tal como carbón o cal.

El dispositivo soluciona las desventajas típicas conocidas en el estado de la técnica, pues puede trabajar en modo quemador, durante la fase de fundido, creando una llama difusa en la fase inicial de los procesos, y una llama concentrada, en la fase que concluye la fusión y, posteriormente, trabajar en modo supersónico de inyector de oxígeno, carbón o cal, en la fase de refinación del baño líquido.

La transición entre estas fases y modos de combustión e inyección tiene lugar, simplemente, mediante la regulación del caudal de las diferentes boquillas del inyector.

Otra ventaja obtenida es la facilidad con la cual el inyector-quemador de esta invención puede sustituir a los inyectores o los quemadores conocidos en el estado de la técnica, en los hornos de fundición habituales, con la obtención, así, de ahorros considerables.

El inyector se compone de un cuerpo cilíndrico, fabricado a partir tubos concéntricos, construidos de forma muy sencilla, conectados a una cabeza cilíndrica, por ejemplo, de cobre. Este inyector es, por tanto, compatible con las instalaciones existentes, y puede sustituir a los inyectores del tipo conocido, sin requerir alteraciones en los alojamientos de tales máquinas en las paredes del horno.

Son igualmente posibles, obviamente, configuraciones alternativas, que no difieren del espíritu de esta invención.

En el modo de instalación fija, el inyector-quemador se puede montar en la pared, de la misma manera que lo son aquellos conocidos en el estado de la técnica, o en la plataforma del EBT (vaciado excéntrico por el fondo), es decir, el área excéntrica, típica de los hornos modernos de fundición, en los cuales el vaciado de la masa fundida ocurre al final del proceso.

La instalación en esta área del horno de fundición permite realizar las actividades de calentamiento y tratamiento de la masa líquida en un área del horno que está, habitualmente, fría, lo que es crítico para la velocidad de las operaciones de fundición.

Puede, asimismo, ser ventajoso que el inyector-quemador sea móvil en relación al horno, con el fin de ser desplazado hacia el interior durante el fundido y refinado de la masa fundida dentro del horno.

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Breve descripción de los dibujos

Características y ventajas adicionales del descubrimiento se harán más evidentes a la vista de la descripción detallada de una realización preferida, aunque no exclusiva, de un quemador para un horno de fundición de arco eléctrico, tal como se ilustra, mediante un ejemplo no limitante, con la ayuda de los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 ilustra una vista frontal del tipo de inyector-quemador, de acuerdo con la invención;

Las figuras 2, 3, 4 y 5 ilustran vistas, en sección longitudinal, de los inyectores-quemadores, de acuerdo con varios aspectos de la presente invención;

La figura 6 ilustra varios diagramas de disposición de los segundos y terceros agujeros de la cabeza de un inyector-quemador, de acuerdo con la invención, junto con la sección, perpendicular al eje del inyector-quemador, de la llama generada por ellos;

La figura 7 ilustra el patrón de los caudales de gas, suministrados al inyector-quemador descrito aquí, en las diversas fases de un proceso de fundición de chatarra de hierro, en un horno de arco eléctrico;

La figura 8 ilustra la curva, con la tendencia, seguida por el porcentaje del combustible reaccionado, como función de la distancia a la cabeza de un inyector-quemador, conforme a esta invención, utilizado en modo quemador, en comparación con un dispositivo del estado de la técnica;

La figura 9 ilustra un esquema tridimensional de la evolución de la llama producida por el inyector-quemador en, su modo de funcionamiento en el que genera una llama ancha;

La figura 10 presenta un esquema tridimensional de la evolución de la llama producida por el inyector-quemador, en su modo de funcionamiento en el que genera una llama concentrada;

La figura 11 muestra una vista esquemática de la huella de una llama ancha plana, producida por una realización adicional del quemador, de acuerdo con la invención;

La figura 12 muestra una vista esquemática en perspectiva de varias huellas de la llama de figura 11, durante su propagación.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Con referencia, en particular, a la figura 1, se muestra la vista frontal de un inyector-quemador para la producción de calor y para el tratamiento metalúrgico en un horno de arco eléctrico, que comprende una cabeza 2, fabricada en un material adecuado, generalmente cobre, y un cuerpo cilíndrico 3. La cabeza 2 tiene una pluralidad de agujeros, dispuestos a lo largo de circunferencias, o de arcos circunferenciales, concéntricos con el eje de la cabeza y del quemador. El cuerpo cilíndrico 3 del quemador 1, define un eje 6, y se constituye mediante más tubos coaxiales, unos dentro de otros. Se muestran las direcciones 4 y 4' de los ejes 5 y 5' de los segundos y terceros agujeros, respectivamente. Cada eje 5 y 5' de los agujeros se inclina con respecto al eje 6, para definir dos ángulos:

i)

ángulo \alpha, distinto de cero, definido como el ángulo entre la proyección del eje del agujero en un plano radial, que pasa a través del eje 6 y a través del centro del agujero, y el eje 6 del cuerpo 3;

ii)

ángulo \beta, definido como el ángulo en el que el eje del agujero cruza un plano radial, que pasa a través del eje 6, y a través del centro del agujero.

Como se muestra en figura 1, los ejes se intersecan entre sí, preferiblemente en grupos de dos, se abren hacia fuera, y tienen un componente tangencial en relación con el eje del inyector-quemador. Al suministrar combustible a los segundos agujeros, y agentes auxiliares de la combustión a los terceros agujeros (o viceversa), se obtendrán llamas, que giran alrededor del eje 6 del cuerpo cilíndrico 3, produciendo un efecto de remolino. El primer agujero 7 es, asimismo, visible.

La figura 2 ilustra una sección longitudinal de un inyector-quemador, fabricado de acuerdo con una posible realización de la invención. Muestra el primer conducto 8, el segundo conducto 10 y el tercer conducto 9, y, también, una camisa 11, que se suministra opcionalmente, destinada a la circulación de un fluido refrigerante, por ejemplo, agua, definida por varios tubos coaxiales, indicados colectivamente con la referencia 12. Los conductos 13 y 13' se utilizan para el suministro y la retirada de dicho fluido. Los gases se suministran a los conductos a través de tuberías, tales como las indicadas con la referencia 14. El primer agujero 7 es coaxial con el cuerpo cilíndrico 3. El dibujo también muestra la porción convergente-divergente 15, situada al final del primer conducto 8, particularmente adecuada en el caso de un flujo supersónico de salida del gas en el primer conducto 8. La porción convergente-divergente está conformada, preferiblemente, de tal manera que convierte la presión de alimentación en presión de descarga, siguiendo una curva hiperbólica tangente a lo largo de la porción.

El primer conducto se puede alimentar, bien con oxígeno, o con un gas que contenga oxígeno.

En la realización mostrada en los dibujos, la cabeza 2 presenta dos cámaras de forma anular 19 y 19', que sirven para la distribución del gas del segundo y tercer conductos a los segundos y terceros agujeros 5 y 5', que parten de ellos, gases que son, generalmente, un auxiliar de la combustión y un combustible, por ejemplo, oxígeno y metano, respectivamente (aunque es también posible cambiar el orden de los suministros, en caso de necesidad). Otras realizaciones son, sin embargo, posibles, por ejemplo con más cámaras, destinadas a la distribución del combustible y del auxiliar de la combustión, conectados con el exterior a través de una serie de distribuciones concéntricas de agujeros, hechas en la cabeza 2.

La figura 3 ilustra una sección longitudinal de un quemador-inyector, fabricado según una realización alternativa de la invención. En este caso, la porción convergente-divergente se sustituye por una simple porción convergente 15'. Los diámetros del primer agujero 7 y del primer conducto 8 se eligen para satisfacer las características de las porciones 15 o 15'.

Las figuras 4 y 5 muestran una sección longitudinal de las realizaciones, caracterizadas por la porción convergente-divergente y por el cuarto conducto 16, separado del primer conducto 8 por el tubo 17, en el que dicho cuarto conducto se utiliza para la introducción de polvos o gránulos (tales como carbón o cal) transportados, por ejemplo, mediante un flujo adecuado de gas, y con el primer conducto recto, sin las porciones convergente o convergente-divergente, que se puede utilizar para inyectar polvos junto con el gas del primer conducto. En este último caso, el primer agujero puede contener un tubo consumible (20 en la figura 5), fabricado en acero u otro material adecuado, destinado a proteger de las paredes del primer conducto del dispositivo de la acción abrasiva de los polvos o de los gránulos; de acuerdo con un aspecto de la invención, la introducción de sólidos ocurre en un flujo de gas, cuyo flujo de salida de la cabeza del inyector-quemador es subsónico.

Son posibles otras combinaciones, de acuerdo con los requisitos del proceso y de la planta.

Según se mencionó anteriormente, los segundos y terceros agujeros (si se encuentran presentes) deberían distribuirse, preferiblemente, en dos coronas circulares concéntricas, según lo mostrado en figura 1. Pueden dividirse en un número de grupos, separados por sectores circulares de la cabeza sin agujeros. Dichos sectores se definen entre dos lados de un ángulo, que tiene el vértice en el centro de la cabeza (la intersección entre el eje del cuerpo cilíndrico y la superficie externa de la cabeza), mayor que el ángulo con el vértice en el centro de la cabeza, y como lados, las líneas rectas que pasan a través de dicho centro y de los centros de dos segundos o terceros agujeros adyacentes (si están presentes). Deben estar presentes dos o más grupos para formar dos o más llamas, que flameen alrededor del eje del inyector-quemador, obteniéndose así una buena mezcla y distribución del calor. La dirección de los segundos y terceros agujeros es tal que confiere a los chorros de gas una componente de la dirección tangencial al eje del inyector-quemador. En las figuras 6a - 6e se ilustran diversas disposiciones posibles de los agujeros, que darán lugar a diversos tipos de llama, en el modo de funcionamiento de inyector-quemador, que proporciona la inyección de combustible y de un auxiliar de la combustión a través de tales agujeros, y que se puede elegir de acuerdo a los requerimientos. Con una disposición y dirección de los agujeros adecuadas, se obtendrán llamas de la forma deseada, formas que se pueden ajustar a los requisitos del proceso. Junto a cada tipo de cabeza se muestra la sección de la llama generada, perpendicular al eje del inyector-quemador, a cierta distancia de él, llama que se genera, en particular, mediante el funcionamiento en modo de "llama difusa", según se describe a continuación.

La figura 6b ilustra un aspecto particularmente preferido de la invención.

Los segundos y terceros agujeros pueden ser conformados, asimismo, para formar boquillas convergentes o convergente-divergentes, con el fin de obtener un flujo de salida supersónico de los gases suministrados.

Una realización preferida adicional de un quemador, de acuerdo con la presente invención, particularmente conveniente para generar las llamas anchas y planas. En esta realización, los agujeros 4', 4'' se agrupan en la cabeza del quemador en uno o más primeros grupos 5 de agujeros, separados entre sí un ángulo \gamma, mayor que el ángulo que separa dos agujeros adyacentes. Preferiblemente, dos de estos primeros grupos 5 de agujeros se disponen en la cabeza, simétricamente y opuestos entre sí con respecto al eje de la cabeza 6. Los ángulos \alpha', \alpha'' de estos agujeros 4', 4'' tienen valores comprendidos entre 5º y 60º, y los ángulos \beta', \beta'' de los agujeros 4', 4'' tienen un valor substancialmente igual a 0º, es decir, los ejes de los agujeros son coplanarias con el eje principal 6. Por otra parte, los ejes de los agujeros intersecan, substancialmente, el eje 6 del quemador. Los ángulos \alpha', \alpha'' y \beta', \beta'' son los mismos que se definieron previamente en las otras realizaciones, descritas con anterioridad.

De este modo, los dos primeros grupos opuestos de los agujeros 4', 4'' son adecuados para producir dos llamas simétricas con respecto al eje 6 y divergentes desde la punta de la cabeza, de modo que los dos ejes de la llama intersequen el eje 6 del quemador por detrás de la cabeza. Por ejemplo cada agujero 4', 4'' del primer grupo es simétrico, respecto al eje 6, con otro agujero 4', 4'' del segundo grupo opuesto de agujeros. En esta realización, la cabeza 2 está dotada, asimismo, con uno o más segundos grupos de agujeros 5, cuyos agujeros 4', 4'' se orientan como en las otras realizaciones descritas previamente, es decir, ambos ángulos \alpha', \alpha'', \beta', \beta'' de estos ejes de agujeros son distintos de 0º y, por tanto, no son coplanarios con el eje 6 de la cabeza 2. Las dos llamas simétricas interaccionan entre sí y con las otras llamas, generadas por los otros grupos de agujeros, y producen una envolvente de llama, que corresponde a una llama única, ancha y, aproximadamente, plana, según lo mostrado en los figuras 11 y 12: la figura 11 muestra, esquemáticamente, una sección transversal de una llama plana, obtenida con la presente realización, la figura 12 muestra varias secciones transversales de una llama plana en propagación.

En todas las realizaciones previstas en esta invención, el inyector-quemador se puede montar, bien fijo en una pared, o en una mano mecánica, que permita su movimiento en el interior del horno de fundición.

En la instalación montada de modo fijo en la pared, el eje del inyector-quemador se puede dirigir a voluntad, tanto en planos horizontales como verticales.

El inyector-quemador se puede montar en cualquier pared o lanza de puerta (movida mediante mano mecánica), conocidas en el estado de la técnica. El diseño y la eficiencia de sus chorros son superiores lo existente en el estado de la técnica (particularmente en lo que respecta al oxígeno supersónico, gracias al diseño especial de la boquilla), y permiten el uso innovador de tales lanzas, en lo referente al estado de la técnica.

Se debe hacer notar que las lanzas conocidas en el estado de la técnica, están forzadas a funcionar a distancias del baño típicas de 300-350 milímetros, debido a la escasa coherencia del chorro de oxígeno que producen. Solamente funcionando a tales distancias cercanas, la eficiencia de penetración de oxígeno en el baño es aceptable.

En cualquier caso, las lanzas del estado de la técnica sufren de una fiabilidad y duración muy limitadas, debido al hecho de que, al funcionar tan cerca del baño de fundido, se encuentran en condiciones térmicas y físicas críticas, y se pueden ver afectadas directamente por salpicaduras de metal fundido.

Este inyector-quemador puede proporcionar una alta eficiencia de inyección, si se monta en el extremo de una lanza móvil, incluso si su punto de inserción se encuentra más alejado del baño que lo aplicado en el estado de la técnica. Es posible obtener eficiencias de inyección iguales o mayores que las obtenidas con las lanzas existentes, con una distancia de operación de hasta 1-1,5 metros. En estas distancias, la duración de la lanza es muy superior, pues es posible trabajar más lejos del baño y, por lo tanto, sufrir una menor tensión térmica y mecánica, y sin riesgo de salpicaduras de metal fundido.

Esta particularidad permite, asimismo, que el inyector-quemador sea aplicado en un modo intermedio de instalación, entre la instalación montada de manera fija en la pared y la instalación en una lanza con una mano mecánica, ajustada con numerosos grados de libertad de movimiento, modos que son típicos del estado de la técnica.

Se puede montar en la pared una mano mecánica compacta, con un único grado de la libertad axial, lo que permite la introducción del inyector-quemador en el horno según su dirección axial. En esta configuración, los ángulos verticales y horizontales de instalación del inyector-quemador no se alteran, y sólo se varía la distancia entre el inyector-quemador y el baño.

Este grado de libertad axial permite siempre la máxima eficiencia en la inyección, independientemente de la posición actual del nivel líquido, que depende de la carga de metal en el horno, la fase de proceso y el estado del desgaste de la cuba refractaria.

En cualquier caso, la distancia de funcionamiento mínima al baño puede ser, incluso en este caso, superior que la de una lanza estándar del estado de la técnica y, por lo tanto, los problemas del desgaste térmico-mecánico en el inyector-quemador se reducen. Típicamente, se puede elegir una distancia de 500 - 600 milímetros del baño.

El recorrido axial del dispositivo de introducción, montado en la pared, (típicamente 1-1.5 metros) y, por consiguiente, las dimensiones externas de la máquina pueden reducirse, por lo tanto, cuando el inyector-quemador se alinea con la pared durante la fase de carga.

A continuación se describirán algunos modos de funcionamiento de un inyector-quemador, de acuerdo con esta invención, caracterizados por que tienen segundos y terceros agujeros, distribuidos en coronas circulares concéntricas.

En el "modo quemador de llama difusa", el auxiliar de la combustión se suministra a través de los terceros agujeros, o corona externa de agujeros, y el combustible a través de los segundos agujeros, o corona interna. A través del primer agujero central fluye un caudal mínimo de aire, con el fin de mantenerlo limpio. En este modo, la forma de la llama producida por el inyector-quemador se regula por el efecto físico de remolino, causado por la inclinación de los segundos y terceros agujeros, que tiende a causar el ensanchamiento de la llama, que se combina con el efecto producido por el grado de separación de los flujos producidos por cada conjunto de agujeros, cuya intensidad depende del ángulo del espaciado entre ellos.

La disposición de los segundos y terceros agujeros en grupos separados y espaciados produce un efecto de ensanchamiento con continuidad de la llama, y ésta no se cierre sobre sí misma, como ocurriría con la llama de forma anular, producida por una cabeza sin espaciamiento entre los grupos de agujeros.

La figura 6b se refiere a una sección de la llama difusa, producida por la realización preferida de esta invención. El flujo resultante presenta cuatro áreas de llama. Se obtiene un ligero efecto remolino, que otorga a los chorros una configuración espacial helicoidal. El flujo resultante presenta cuatro áreas de llama, que interaccionan parcialmente, dado que el efecto de remolino, asociado a la separación reducida entre los conjuntos de agujeros, causa una recirculación de los productos de combustión hacia el área del eje del inyector-quemador. De esta manera, se pueden identificar cinco direcciones principales de fuego. La abertura de las cuatro llamas externas es menor que la dirección geométrica de los agujeros. En el espacio libre dejado entre los grupos de agujeros, el gas ambiental puede fluir, atraído por la acción de los flujos producidos por los grupos individuales de agujeros, alimentando así la región axial del inyector-quemador. Los flujos producidos por cada grupo pueden, por lo tanto, expandirse espacialmente en la dirección impuesta por la inclinación de los agujeros. La conexión fluidodinámica entre el ambiente circundante y el área axial del inyector-quemador previene, de hecho, la generación de un área central deprimida, que provocaría el colapso de la llama.

La llama gira en espacio, mientras se aleja de la cabeza, con un aumento considerable en su eficiencia.

La figura 9 ilustra la evolución de la llama, producida por el modelo preferido de esta invención, en el modo de llama difusa, con las secciones 21, 22, 23 y 24 de ésta a 0,5, 1, 1,5 y 2 metros de la cabeza 2 del inyector.

En general, el efecto remolino, junto con el hecho de que el auxiliar de la combustión y los chorros de combustible están dirigidos de tal manera que colisionan en parejas, causa una mezcla de los reactivos excelente, por lo que el inyector-quemador, en modo quemador, desarrolla casi toda su potencia a distancias más cortas de la cabeza que los quemadores del estado de la técnica (o los inyectores en modo quemador).

La figura 8 muestra un gráfico que permite una comparación entre el porcentaje del combustible que ha reaccionado con el auxiliar de la combustión, según la distancia a la cabeza a lo largo del eje, para un inyector-quemador de acuerdo con la invención, representado por la curva H, y para un quemador del estado de la técnica (o un inyector en modo quemador), para su aplicación en hornos EAF, representado por la curva L. Como se puede observar en el gráfico, el inyector-quemador de esta invención, utilizado en modo quemador, agota la reacción de combustión a 200-300 milímetros de la cabeza, mientras que un quemador convencional (o el inyector-quemador en modo quemador) requiere más de 700 milímetros para obtener el mismo agotamiento de la reacción de la combustión.

Este comportamiento de la llama, combinado con la forma particular que adopta en el espacio, está en el origen de una serie de ventajas sobre los inyectores-quemadores del estado de la técnica, en usos técnicos particulares, tales como la fundición de metal en hornos EAF.

En particular, el efecto de calentamiento de la carga de metal ocurre, además de por radiación, por convección de los productos de la combustión, los cuales tienen una potencia de oxidación de la carga que es varias veces inferior a la de oxígeno. La minimización de la región de llama con auxiliar de la combustión no reaccionado implica la minimización del efecto de oxidación, en lo que respecta a la carga.

Por lo tanto, se consigue la oxidación mínima de la carga, gracias a la mezcla optimizada, la ausencia de áreas ricas en oxígeno y la baja velocidad de la llama producida. El fundido de la carga del metal se obtiene por el calor producido por la llama, y no por el corte con lanza de oxígeno, en presencia de un calentamiento uniforme y evitando la oxidación de la carga del metal, con ganancias en el balance energético global del proceso de fundición del horno.

El volumen de la carga calentada es de 3 a 4 veces superior al de los quemadores de llama concentrada (y los inyectores en modo quemador) del tipo conocido.

Con las realizaciones propuestas en la presente invención, la llama producida tiene una sección frontal varias veces superior a la de los inyectores del estado de la técnica (diez o más veces). La inyección de la llama es más suave y está mejor distribuida, previniendo, de este modo, la perforación de la carga hasta el área del arco eléctrico, evitando las perturbaciones en el arco eléctrico y previniendo la ascensión de los gases de combustión a lo largo del electrodo, sin pasar a través de la carga de metal.

Es posible precalentar la totalidad del anillo de carga en la base de la columna en el horno, con la instalación de un número reducido de unidades, sin dejar áreas de discontinuidad.

Los gases calientes, producidos por la combustión, ascienden dentro de la carga más lentamente y de manera más uniforme y, por lo tanto, disponen de más tiempo para transferir su energía a la carga del metal.

Típicamente, la potencia máxima de un quemador del estado de la técnica (o de un inyector en modo quemador), más allá de la cual su uso en hornos EAF se convierte en ineficiente y causa los problemas mencionados anteriormente, es alrededor de 2 - 3 MW.

El diseño del inyector de la actual invención es tal que produce una llama muy difusa, obtenida como la suma de un número de llamas individuales, con diversas direcciones en espacio, que interaccionan parcialmente. Típicamente, se pueden distinguir entre 4 y 5 direcciones principales de llama. De esta manera, cada inyector puede introducir en el horno una potencia de 2 a 4 veces superior a la de los inyectores de tipo conocido, sin arriesgar la concentración de la energía solamente en áreas puntuales, y manteniendo, así, un precalentamiento continuo en toda la circunferencia del horno. En modo quemador, el inyector descrito adjunto puede alcanzar de 8 a 10 MW o más, sin las desventajas que caracterizan los dispositivos de tipo conocido. Es posible, por lo tanto, introducir más energía en el horno sin aumentar el número de unidades instaladas y, por lo tanto, la complejidad de la máquina.

En conformidad con la invención, es posible crear quemadores que generen una llama como suma de un número de flujos/llamas, con un grado predefinido de independencia entre ellas, caracterizados por la separación geométrica de los conjuntos de agujeros. La forma de la llama en espacio se regula mediante el desarrollo y la abertura del efecto remolino de los agujeros, y por el espaciado entre los grupos.

Una realización significativa de la invención es aquella en la que los segundos y terceros agujeros se disponen de manera regular a lo largo de la circunferencia, y no se agrupan. Si se distribuyen de una manera uniforme y continua alrededor del eje del inyector-quemador y se agrupan, a inclinaciones iguales de los agujeros del auxiliar de la combustión y del combustible, la presencia del efecto remolino por sí misma producirá un ensanchamiento reducido de la llama. De hecho, en este caso, la llama se ensancha a la salida de la cabeza, según el vector inducido por el remolino, pero tiende a cerrarse sobre sí misma, cerca de la cabeza. Esto ocurre porque, a cierta distancia de la cabeza, el momento de los chorros se disipa y no es capaz de mantener la depresión en el área axial y, como consecuencia, la llama se cierra sobre sí misma, concentrándose de nuevo. Esta realización produce, por lo tanto, una llama concentrada, pero ofrece la
ventaja de mejorar la mezcla de reactivos a la salida de la cabeza, en comparación con los inyectores de tipo conocido.

En el "modo quemador de llama concentrada", el auxiliar de la combustión se suministra a través del primer agujero central, y el combustible a través de la corona interna de terceros agujeros. Un caudal mínimo del aire fluye a través de la corona externa de segundos agujeros, con el fin de mantenerla limpia. De esta manera, el ensanchamiento natural del flujo, producido por la dirección espacial de la corona de agujeros de combustible es inhibido por el momento del chorro central, que atrae la totalidad del caudal de combustible inyectado alrededor de sí mismo. Se produce, por lo tanto, una llama fuertemente direccional, dirigida por el chorro axial del auxiliar de la combustión.

La figura 10 muestra, en dos secciones axiales 25 y 25', ortogonales entre sí, la dirección de la llama, producida por el inyector descrito adjunto, en el modo concentrado de la llama.

El flujo del auxiliar de la combustión es atraído por el chorro axial, pero mantiene su dirección helicoidal, inducida por la orientación espacial de los agujeros. Este desarrollo espiral del flujo de combustible, que envuelve el chorro axial del auxiliar de la combustión, aumenta la eficiencia del inyector en modo quemador de llama concentrada.

La transición del "modo quemador de llama difusa" al "modo quemador de llama concentrada" ocurre durante el proceso, cuando la fusión de la carga del metal alcanza el punto en el cual el nivel de la carga cae por debajo del nivel de instalación del inyector-quemador.

Con el "modo quemador de llama concentrada" es posible obtener una llama fuertemente direccional, de alta densidad y concentración de potencia, que permite fundir la carga sólida residual y comenzar a oxidar la carga presente en el nivel del baño líquido. La transición a este modo se hace necesaria por el cambio en la forma de la carga dentro del horno, ya que, en esta fase, la llama difusa causaría una dispersión fuerte del calor directamente hacia las paredes del horno y del sistema de humos. La llama concentrada, por otra parte, permite la transferencia de todo el calor desarrollado por la combustión a la carga residual, que debe ser derretida, y al baño.

La transición del "modo quemador de llama difusa" al "modo quemador de llama concentrada" puede, asimismo, ocurrir gradualmente, mediante la utilización del "modo quemador híbrido". En el modo híbrido, el auxiliar de la combustión se suministra a través de la boquilla central y de la corona externa de agujeros, mientras que el combustible se suministra a través de la corona interna de agujeros. De este modo, es posible obtener todas las formas intermedias de llama entre la llama "difusa" y la "concentrada", simplemente mediante la variación del cociente entre el caudal del auxiliar de la combustión, inyectado a través de la boquilla central, y el caudal del auxiliar de la combustión inyectado por la corona externa de agujeros. La regulación de la llama puede ocurrir, por lo tanto, gradualmente.

En el "modo supersónico de inyección de oxígeno", el oxígeno se suministra a través de la boquilla central, mientras que las coronas de agujeros se alimentan con el caudal mínimo de aire. Una vez que la carga se ha fundido completamente y se ha transformado totalmente al estado líquido, el baño debe refinarse, mediante la inyección de oxígeno a alta velocidad, a gran profundidad.

Esta función se realiza mediante el inyector-quemador, equipado con una boquilla en su eje que permita la inyección del caudal elegido de oxígeno (de 600 a 10000 Nm^{3}/h, según el tamaño del horno de fundición y los requisitos específicos del proceso), con una velocidad que corresponde a Mach 2 o superior.

En este modo, el chorro de oxígeno presenta características superiores a las del tipo conocido, especialmente si la porción de forma convergente-divergente se incluye en el primer conducto.

El diseño de dicha boquilla es tal que garantiza una eficiencia de inyección superior a la del estado de la técnica, incluso para distancias de instalación al baño considerables (mayores de 1,5 metros).

La boquilla central convergente-divergente se configura, preferiblemente, con un perfil aerodinámico, con el fin de convertir la presión total de alimentación (típicamente superior a 10 bares) en velocidad, adaptando, así, a la presión de descarga, que sigue una ley hiperbólica tangente tal como:

f(x) = a\cdot th(c-b\cdot x) + d

en la que:

a = \frac{P_{0} - P_{s}}{2}; \ b = \forall; \ d = \frac{P_{0} + P_{s}}{2}; \ c = ath(\frac{1-d}{a})

th = \frac{e^{k} - e^{-k}}{e^{k} + e^{-k}}; ath(\gamma) = th^{-1}(\gamma)

donde p_{0} es la presión de alimentación, p_{s} es la presión de descarga, x es la longitud recorrida por el gas en la porción de la boquilla, b representa un factor arbitrario que determina el grado de estiraje del perfil alrededor de la sección de garganta, y que puede tomar cualquier valor (generalmente entre 1 y 3), y f(x) es una función a la cual permanece proporcional la presión en las diversas secciones de la boquilla.

Este tipo de perfil garantiza la expansión perfecta del oxígeno dentro de la boquilla, hasta que alcanza la condición de salida. En la sección de salida todas las cantidades termodinámicas y el perfil de velocidad son extremadamente uniformes, garantizando, así, la máxima eficiencia del chorro supersónico, en términos de la coherencia del chorro. Como consecuencia, el chorro de oxígeno supersónico puede penetrar profundamente en el baño líquido, incluso si el inyector está instalado en la pared del horno, a una distancia superior a 1,5 metros del baño. La región coherente (en la cual no disminuye la velocidad de los gases a lo largo del eje del chorro, que coincide con el del inyector-quemador, esto es, permanece igual, por lo menos, para el 99% del gas en la superficie de la cabeza del inyector-quemador) del chorro producido por este tipo de boquilla convergente-divergente es, típicamente, 2-3 veces más larga que la de los inyectores del estado de la técnica. El inyector de esta invención puede producir chorros de oxígeno, perfectamente coherentes, hasta distancias de 2-2,5 metros.

Esta particularidad permite la inyección eficiente de oxígeno profundamente en el baño, lo que conduce a una aceleración del proceso de refinado. Por otra parte, gracias a su coherencia, el momento transmitido al baño líquido alcanza un máximo, a la vez que lo hacen la agitación y la mezcla del baño líquido.

Cuando el inyector se orienta de tal manera que produce un chorro que no es ortogonal al baño (en el plano vertical), y/o no se dirige hacia el eje del horno (en el plano horizontal), se produce un fuerte efecto de agitación del baño en los planos vertical y/o horizontal. Este efecto otorga al líquido una gran uniformidad química y térmica, con ventajas obvias en lo que respecta a la calidad del producto y a la velocidad de la refinación.

Durante la inyección de oxígeno supersónico desde la boquilla central, las dos coronas de los segundos y terceros agujeros se alimentan con una cantidad mínima de aire, con el fin de mantener los agujeros limpios. Este flujo de aire envuelve el chorro de oxígeno de una manera espiral, y es atraído hacia él por el efecto Venturi, exactamente de la misma manera en que sucede en el modo quemador de llama concentrada. La presencia de este flujo espiral del aire alrededor del chorro de oxígeno no daña la coherencia del chorro, de hecho, la mejora levemente, dado que el cociente de cizallamiento cae en relación al ambiente y, por tanto, la disipación de la energía cinética del chorro debido a la fricción viscosa.

Es posible adoptar, asimismo, un "modo híbrido de inyección de oxígeno supersónico", en cual, además de la inyección de oxígeno supersónico desde la boquilla central, la función de quemador se mantiene en las coronas de agujeros, o solamente se inyecta metano por la corona interna de agujeros. La llama producida por el combustible y el auxiliar de la combustión (inyectado por la corona interna de agujeros y la corona externa de agujeros, en el primer caso, y por la corona interna de agujeros y la boquilla central, en el segundo, respectivamente), es atraída por el efecto Venturi hacia el chorro supersónico de oxígeno, y lo envuelve en espiral. La presencia de esta llama helicoidal alrededor del chorro de oxígeno incrementa, adicionalmente, la coherencia del chorro, dado que, además de reducir la disipación viscosa, produce un fluido amortiguador de alta temperatura alrededor del chorro. Gracias a su alta temperatura, los gases quemados tienen una baja densidad y pueden ser, por lo tanto, arrastrados fácilmente por el chorro de oxígeno, sin reducir perceptiblemente su energía cinética.

La presencia de esta llama espiral que envuelva el chorro de oxígeno permite alcanzar longitudes de chorro coherente superiores a las de las aplicaciones de la técnica conocida, en la cuales los chorros de oxígeno son protegidos por una llama puramente axial de forma anular, desprovista de componentes circunferenciales.

Cuando el caudal de combustible, tal como metano, inyectado alrededor de oxígeno supersónico, es tal que la combustión no se agota a lo largo del chorro libre, una cantidad de combustible no reaccionado alcanza la escoria y el baño fundido. En tales condiciones, se puede inyectar aire u oxígeno, a través de la corona externa de agujeros, con el fin de realizar una reacción de post-combustión, que se describirá en detalle a continuación. El efecto de oxidación, inducido por el oxígeno supersónico en el área del impacto sobre el baño, causa altas temperaturas locales del metal fundido (> 1800ºC). A tales temperaturas, el combustible que llega al baño produce la reacción de craqueo (por ejemplo, si el combustible es metano):

CH_{4} + energ\text{í}a \rightarrow C+2H_{2}

\newpage

y, por lo tanto, se separa en carbón e hidrógeno. La reacción es endotérmica y, por lo tanto, se produce el enfriado del área, para evitar temperaturas excesivamente altas del metal fundido (y, por lo tanto, la evaporación del metal, con la caída consecuente en la eficiencia del horno), y se favorece la formación de espuma en la escoria. El carbón carbura el baño líquido, mientras que el hidrógeno reduce los óxidos presentes sobre el nivel del baño y en la escoria. Esta reacción de reducción también interesa al óxido de metal, presente a nivel del baño, y permite un aumento en el rendimiento del proceso de fundición, mediante la recuperación del metal que se perdería, de otra manera, en la escoria. La parte del hidrógeno que no puede encontrar óxidos para reducir, se quema con la parte de oxígeno inyectado que no penetra en el baño, o con el aire (o el oxígeno) inyectado junto con el chorro a través de la corona externa de agujeros del inyector. Esta reacción del hidrógeno de post-combustión:

2H_{2} + O_{2} \rightarrow 2H_{2}O \ + \ energ\text{í}a

libera energía y una gran cantidad de gas (vapor de agua), que asciende a través de la escoria y ocasiona la espuma. La misma reacción de reducción de óxidos, en parte llevada a cabo por el hidrógeno, ocasiona la producción de una cantidad grande de vapor de agua. La formación de espuma en la escoria es muy eficiente y se une a la producida por la subida del CO, causado por la descarburación del baño. Globalmente, se observa un rápido rehinchado de la escoria, que tiene efectos beneficiosos en el equilibrio térmico del proceso y en la eficiencia del arco eléctrico.

La post-combustión del hidrógeno puede ocurrir, asimismo, sobre la escoria, si el flujo de aire o de oxígeno, producido por la corona externa de agujeros del inyector, se reduce de tal manera que no penetra en la escoria.

El modo de funcionamiento descrito arriba se puede describir como "modo híbrido de inyección de oxígeno-carburación-reducción y post-combustión". Esta fase se aplica en condiciones de baño plano.

El mismo inyector-quemador se puede utilizar, asimismo, de manera extremadamente eficiente, en el "modo de carburación pura". Esto ocurre cuando el combustible se inyecta a través de la boquilla central convergente-divergente. En este caso, si el caudal de combustible es suficientemente alto (dependiendo del tamaño de la boquilla, y típicamente superior a 100 Nm^{3}/h), el chorro de combustible es muy compacto, tiene un momento elevado y puede, incluso, alcanzar el régimen supersónico. La penetración del combustible en el baño es, por lo tanto, muy eficiente. En este caso, igualmente, se obtiene la reacción de craqueo del combustible en carbón e hidrógeno. El carbón carbura profundamente dentro del baño, mientras que el hidrógeno reduce los óxidos presentes en el nivel del líquido del baño y en la escoria, y vuelve, posteriormente, hacia arriba a través de la escoria, donde, o sobre la cual, puede ocurrir una post-combustión, con un flujo de aire (u oxígeno) que envuelve el chorro axial de combustible y se produce por una o ambas coronas de agujeros del inyector. Esta fase se aplica, igualmente, en condiciones de baño plano. El régimen de la inyección del gas que contiene combustible puede ser subsónico o supersónico, de acuerdo con los requisitos y la conformación del primer conducto.

Las realizaciones de la presente invención, descritas e ilustradas previamente en las figuras. 2, 3, 4 y 5, contienen los modos de "quemador de llama difusa", "quemador de llama concentrada", "quemador híbrido", "modo híbrido de inyección de oxígeno-carburación-reducción y post-combustión" y "modo de carburación pura", según lo descrito anteriormente.

Más particularmente, las realizaciones ilustradas en las figuras 4 y 5 permiten la inyección de material sólido en polvos o gránulos (tales como carbón y cal), mediante una boquilla en el eje, dedicada a la inyección de tales materiales durante la fase de refinación. En particular, la realización ilustrada en la figura 4 permite la inyección simultánea de gas (tal como oxígeno), en un régimen supersónico, y del material en polvo o gránulos (tales como carbón o cal), ya que lleva una boquilla convergente-divergente en su eje para el oxígeno, con un inserto dentro del tubo para la inyección del material sólido.

En cualquier caso, la boquilla central se puede utilizar, asimismo, para inyectar un gas que contenga oxígeno, con el fin de realizar la post-combustión del monóxido de carbono, liberado del baño líquido durante la fase de refinación.

Hablando de manera general, para todas las realizaciones del inyector-quemador, proporcionadas por esta invención, y para todos los modos de funcionamiento, no hay límite a las relaciones estequiométricas, entre el combustible y el auxiliar de la combustión, que se pueden utilizar.

La invención se refiere, asimismo, a un proceso de calentamiento, fundido y tratamiento metalúrgico de material metálico en un horno de fundición, en particular, en hornos de arco eléctrico, que incluye el suministro de un gas que contiene oxígeno al primer conducto de un inyector-quemador, según lo descrito arriba, de un gas que contiene un combustible, tal como metano o gas natural, al segundo conducto, y de un gas que contiene oxígeno al tercer conducto, si éste existe. Esta invención también contempla métodos para introducir gas en un horno de fundición, con diversos modos de alimentación del gas, como será descrito abajo, tanto para el calentamiento del material metálico, como para su descarburación o carburación.

Según lo demostrado, el dispositivo resuelve los problemas típicos del estado de la técnica, con la posibilidad para trabajar en modo quemador durante la fase de fundido, mediante la creación de una llama muy difusa, en la fase inicial del proceso, y de una llama concentrada, en la fase de conclusión de la fusión, y trabajar, posteriormente, en modo supersónico de inyección de oxígeno o de carbón o cal, durante la refinación del baño líquido.

La transición entre estas diversas fases y modos de inyección y de combustión ocurre, simplemente, mediante la regulación de las capacidades de la diversas boquillas del inyector.

Como ejemplo, daremos ahora un posible programa de un proceso de fundición de desecho de hierro en un horno de arco eléctrico, mediante el uso de un inyector-quemador con un tercer conducto, según lo descrito arriba, de acuerdo con la actual invención.

La figura 7 ilustra los perfiles de caudal del combustible y del auxiliar de la combustión en las diversas fases de la operación. Los perfiles sirven solamente como ejemplos, y tienen un valor relativo. En general, no es posible dar valores absolutos del caudal y del tiempo, pues dependen del tamaño del horno, de la potencia del arco eléctrico instalado y del número de cargas que se harán (cubas sencillas o múltiples). Sin embargo, la lógica de uso del inyector-quemador no cambia.

Paso 1

Encendido

El quemador se enciende unas cuantas décimas de segundo después que el arco eléctrico, con el fin de asegurarse de que las condiciones de la inflamabilidad de la mezcla de combustible y de auxiliar de la combustión se han alcanzado. El caudal de combustible en el segundo conducto se fija inicialmente en el 30-50% de la potencia nominal, y se mantiene un cociente de combustión levemente reductor, con el oxígeno, suministrado a través del tercer conducto (en el caso, se adoptan razones de O_{2}/CH_{4} de aproximadamente 1,6:1,8, es decir 20-40% inferior al cociente estequiométrico).

Esto es así con el fin de obtener una llama que sea adecuada para el calentamiento, pero que no sea agresiva para el equipo, con el fin de evitar daños a los paneles refrigerados, no refrigerados y refractarios, y al dispositivo en sí mismo. Después de trabajar de esta manera durante 30'', aproximadamente, los caudales de gas del quemador y, por lo tanto, su potencia, se pueden aumentar hasta el 80% del valor nominal y se utiliza un cociente casi estequiométrico (en el caso del O_{2}/CH_{4}, se adoptan cocientes de 1,9-2,0, aproximadamente). Durante este tiempo, el conducto central, provisto de una boquilla convergente-divergente, se alimenta con aire comprimido u oxígeno. El caudal está calibrado así, de modo que la velocidad de salida del gas sea, al menos, 80-120 m/s, y la presión sea de 0,4-0,8 bares. En el caso, por ejemplo, de una boquilla nominal de 300 Nm^{3}/h, se pueden introducir 300-350 Nm^{3}/h. El objetivo primario de tal flujo es evitar las obstrucciones causadas por las salpicaduras de acero. Sin embargo, en este caso, se obtiene, asimismo, una energía de valencia por la cooperación de oxígeno contenido en el gas que fluye con la llama, mejorando así, adicionalmente, la eficiencia de la combustión;

Paso 2

Modo quemador de llama difusa

Una vez que se ha encendido el quemador y se ha calentado el desecho a una temperatura de 500-600ºC, es posible alcanzar rápidamente la potencia plena de llama en cociente estequiométrico. Se debe observar un ligero retraso en el aumento de potencia cuando se utiliza una carga muy pesada o muy compacta (en otras palabras, pedazos muy grandes o aquellos con pastillas de densidad muy alta). Es posible aplicar una fuerza de llama 2-4 veces la usada habitualmente en usos convencionales. Las llamas individuales, que constituyen el efecto global del quemador, se distribuyen sobre una mayor área del desecho gracias, asimismo, a la variación en la forma, causada por la variación en el caudal, según lo descrito arriba, de una manera tal que el flujo térmico específico permanece sin cambios, comparado con los usos convencionales, aunque se aplique una potencia térmica total mucho más alta. La alta eficiencia de la combustión y la mezcla rápida del combustible y del auxiliar de la combustión limita las propiedades de oxidación de la llama. La disminución y la fusión de la carga, en el caso en que ésta sea particularmente pesada y compacta, puede ayudarse mediante la variación del cociente de combustión.

Paso 3

Modo quemador híbrido y modulación del cociente estequiométrico

La temperatura del desecho aumenta rápidamente con la llama, y el desecho desciende gradualmente al nivel del baño, lo que reduce así, exponencialmente, la eficiencia de la llama difusa, en términos de la transmisión del calor por radiación directa y convección superficial.

Por lo tanto, se realiza una transición progresiva de la llama difusa a la llama concentrada, mediante el inicio de la transferencia de una parte del caudal de oxígeno desde la corona externa de agujeros al inyector central.

Por otra parte, mediante el aumento del cociente de combustión, el aumento progresivo de oxígeno libre puede permitir una fusión más rápido del desecho, incluso. Sin embargo, en este caso el carbón debe inyectarse, asimismo, localmente; el óxido de hierro, producido durante esta fase, gotea y se recoge en la cuba colocada debajo del inyector. La velocidad a la cual se produce óxido del hierro aumenta rápidamente en esta fase, lo que requiere, consecuentemente, la adición de carbón y de cal, con el fin de proteger el material refractario contra la erosión química, y para moderar la reacción de oxidación del hierro.

Paso 4

Modo quemador de llama concentrada

Una vez que la carga ha sido fundida por las paredes y alcanza el nivel del baño líquido, se debe completar el cambio al modo quemador de llama concentrada. El objetivo subsiguiente es fundir la cantidad de desecho que se encuentre a una distancia desde la cabeza del inyector, hacia el centro del horno. Es muy peligroso incidir en el desecho con un chorro de oxígeno rápido y concentrado, pues esto crearía salpicaduras de óxido de hierro, o bien el chorro de oxígeno podría ser reflejado hacia atrás, en dirección a los paneles refractarios. No es posible, por lo tanto, en esta fase utilizar una inyección de oxígeno supersónico para cortar el desecho residual, presente en el nivel del baño, mediante lanza de oxígeno. Sin embargo, esta fase requiere una llama larga y concentrada, que no tenga un momento excesivo. En el modo quemador de llama concentrada, el inyector-quemador de la presente invención satisface este requisito y tiene una acción térmica y química muy direccional, que es capaz de transferir calor a la carga presente, por debajo de su nivel de instalación. Mediante el ajuste del cociente estequiométrico es posible, asimismo, ejercer una acción oxidante sobre la carga residual, con el fin de acelerar la fusión completa.

Mientras el inyector se encuentra en uso en modo de llama concentrada, tiene lugar la primera descarburación y las reacciones de oxidación. Tanto el flujo de oxígeno saliente desde la boquilla central como el flujo de aire u oxígeno, permiten la post-combustión del CO que se ha formado. La transición de este paso del procedimiento es crucial para preparar el último paso eficientemente.

Paso 5

Refinado

El último paso tiene como objetivo acelerar todas las reacciones de oxidación del baño de acero líquido y, en particular, la reacción de descarburación. En este caso, se aplica desde el inyector convergente-divergente central el caudal nominal. Durante esta fase, el parámetro más importante que se supervisará es la eficiencia del chorro, ya que es necesario obtener una alta velocidad de reacción, la mezcla por transporte masivo, concentraciones bajas de oxígeno en la escoria y una descarburación alta dentro del baño, con el fin de obtener los mejores resultados de funcionamiento posibles.

Durante la fase de la refinación, la inyección de oxígeno supersónico puede ir acompañada por la inyección de metano a través de la corona interna de agujeros, dado que el efecto de la rotación en este último alrededor del chorro de oxígeno y de su combustión con el oxígeno inyectado desde la boquilla central o, incluso, desde la corona externa de agujeros, promueve la coherencia y la acción de penetración del chorro supersónico en el baño.

La inyección de un caudal superior de metano se puede utilizar, asimismo, para obtener un efecto de carburación y de reducción, de acuerdo con el "modo híbrido de inyección de oxígeno-carburación-reducción y post-combustión", descrito arriba.

En algunos casos, la inyección de oxígeno a través de la boquilla central se puede sustituir, para intervalos cortos, por la inyección del metano a través de la boquilla central, después del "modo de carburación pura". Esta práctica hace posible la descarburación del baño y la recuperación del rendimiento metálico, gracias al efecto reductor local de los productos en los cuales se craquea el metano.

La figura 7 ilustra esquemáticamente la serie de modos de funcionamiento del inyector a lo largo del proceso de fundición. Se inyecta un caudal de oxígeno #1 por la boquilla convergente-divergente central, mientras se inyecta un caudal de oxígeno #2 por la corona externa de agujeros. El caudal de metano se refiere a la corona interna de agujeros.

Se pueden reconocer los dos modos de llama, difuso y concentrado, utilizados uno después del otro, y separados por una fase híbrida, en la cual se crea una llama de forma intermedia. Al final del proceso, se realiza una inyección supersónica de oxígeno para la descarburación del baño. Esta fase se puede dividir en dos modos separados: el primero, con una inyección de metano alrededor del chorro de oxígeno (con el fin de aumentar la coherencia del chorro e, incluso, dar un efecto de carburación superficial al baño), el segundo, con la inyección de oxígeno supersónico solamente.

Los perfiles dados son absolutamente generales y se pueden aplicar, en principio, a cualquier tipo de carga del horno (de cuba simple o múltiple) y se refieren a un inyector, que utiliza metano y oxígeno como combustible y auxiliar de la combustión, respectivamente.

Claims (27)

1. Inyector-quemador, que comprende un cuerpo cilíndrico (3), que define un primer eje longitudinal (6), en el que el cuerpo cilíndrico comprende

un primer conducto central (8), dispuesto a lo largo de dicho primer eje (6),

al menos, un segundo conducto de forma anular (10), dispuesto alrededor de dicho primer conducto central (8),

un tercer conducto de forma anular (9), dispuesto alrededor de dicho segundo conducto de forma anular (8),

una cabeza (2), fijada a un extremo de dicho cuerpo y dotada con, al menos, un primer agujero central (7), coaxial con el primer eje longitudinal (6), y que conecta dicho primer conducto central (8) con el exterior del cuerpo cilíndrico (3),

la cabeza (2), que está dotada de segundos y terceros agujeros pasantes (5), que conectan, respectivamente, dichos segundos y terceros conductos de forma anular (9, 10, 11) con el exterior del inyector-quemador,

los segundos agujeros pasantes (5), que definen segundos ejes respectivos,

en el que cada segundo eje respectivo forma un primer ángulo con un plano, que pasa a través del primer eje (6) y de un punto de intersección de dicho segundo eje respectivo con una superficie externa de la cabeza (2), y en el que cada segundo eje respectivo define una proyección sobre dicho plano, que forma un segundo ángulo con dicho primer eje (6),

caracterizado porque los segundos y terceros agujeros pasantes están divididos en varios grupos, los grupos están separados, recíprocamente, por sectores circulares de la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en el que los sectores circulares tienen sus vértices sobre el primer eje (6) y sus ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos agujeros pasantes adyacentes.

2. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos terceros agujeros pasantes define terceros ejes respectivos, que forman un primer ángulo con un plano que pasa a través de dicho primer eje (6) y del punto de intersección de dicho tercer eje respectivo con la superficie externa de la cabeza (2), y que tiene una proyección en dicho plano que forma un segundo ángulo con dicho primer eje (6).

3. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que uno o varios de dichos grupos de segundos y terceros agujeros pasantes (5) comprenden agujeros, cuyos ejes tienen primeros ángulos, con un valor distinto a 0º, y segundos ángulos, con un valor de 0º.

4. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichos varios grupos de segundos y terceros agujeros pasantes (5) se sitúan en la cabeza del quemador, simétricamente y dirigidos en direcciones divergentes respectivas con respecto al primer eje (6), para que dichos varios grupos de segundos y terceros agujeros pasantes (5) sean capaces de producir llamas respectivas, en direcciones divergentes y substancialmente simétricas con respecto a dicho primer eje (6).

5. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dichos primeros y segundos ángulos, de los respectivos ejes de los segundos y terceros agujeros pasantes, tienen un valor comprendido entre 5 y 60º.

6. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 5, en el que los segundos y terceros ejes respectivos se cruzan entre sí, en parejas, fuera del inyector-quemador.

7. Inyector-quemador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos segundos y terceros agujeros se distribuyen en dos coronas circulares, concéntricas con el primer eje (6) del cuerpo cilíndrico.

8. Inyector-quemador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho primer conducto central (8), o el correspondiente primer agujero central (7), comprende una porción, que tiene forma de una boquilla convergente o convergente-divergente (15, 15').

9. Inyector-quemador, de acuerdo con la reivindicación 8, en el que se proporciona una salida de gas supersónico desde la boquilla, con una variación en la presión de gas a lo largo de la longitud de la boquilla (15, 15'), según una función hiperbólica tangente.

10. Inyector-quemador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se proporciona un cuarto conducto (16), dentro del primer conducto central (8), y substancialmente coaxial con él, para la alimentación de componentes sólidos o líquidos, dispersos en un gas.

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11. Inyector-quemador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los segundos y/o terceros agujeros pasantes se conforman como una boquilla convergente o convergente-divergente.

12. Inyector-quemador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho inyector-quemador se monta en una lanza, equipada con un brazo mecánico.

13. Un método para introducir uno o más gases en un horno de fundición de metales, en el que dichos gases se introducen en el metal mediante un inyector-quemador, de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

14. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene oxígeno al primer conducto de dicho inyector-quemador, y un gas que contiene combustible al segundo o tercer conducto, para generar una llama a la salida del inyector-quemador.

15. El método, de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende el paso de expulsar un gas que contiene oxígeno desde el primer agujero de dicho inyector-quemador a velocidad supersónica.

16. El método, de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende el paso de conseguir que parte de dicho combustible alcance, sin arder, un fundido dentro del horno.

17. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene oxígeno al tercer conducto de dicho inyector-quemador.

18. El método, de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene combustible al segundo conducto de dicho inyector-quemador.

19. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene un combustible al tercer conducto, y un gas que contiene oxígeno a un segundo conducto.

20. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene oxígeno desde el primer conducto del inyector-quemador.

21. El método, de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende el paso de expulsar el gas desde primer agujero del inyector-quemador, a velocidad supersónica.

22. El método, de acuerdo con la reivindicación 21, que comprende el paso de producir una longitud coherente de un chorro de gas, desde dicho primer agujero, mayor que la distancia de la cabeza del inyector-quemador a la superficie de un fundido contenido en el horno.

23. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de introducir un sólido, en forma de polvo o de gránulos, a través del primer conducto de inyector-quemador.

24. El método, de acuerdo con la reivindicación 23, que comprende el paso de introducir el sólido junto con una corriente de gas, que sale del primer agujero del inyector-quemador a velocidad subsónica.

25. El método, de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende el paso de introducir un sólido, en forma de polvo o de gránulos, a través del cuarto conducto.

26. El método, de acuerdo con las reivindicaciones 13 o 17, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene combustible al primer conducto de dicho inyector-quemador, en régimen subsónico o supersónico.

27. El método, de acuerdo con la reivindicación 26, que comprende el paso de conseguir que parte de dicho combustible alcance, sin arder, un fundido dentro del horno.